• Sonuç bulunamadı

LİSANS ENDÜSTRİYEL KONTROL LABORATUVARI DENEY DÜZENEĞİ: BÖLÜM 2 PLC İLE SICAKLIK DENETİMİ

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "LİSANS ENDÜSTRİYEL KONTROL LABORATUVARI DENEY DÜZENEĞİ: BÖLÜM 2 PLC İLE SICAKLIK DENETİMİ"

Copied!
9
0
0

Yükleniyor.... (view fulltext now)

Tam metin

(1)

LİSANS ENDÜSTRİYEL KONTROL LABORATUVARI DENEY DÜZENEĞİ: BÖLÜM 2 PLC İLE SICAKLIK DENETİMİ

ÖZET: Bu çalışmada endüstriyel otomasyon dersini alan öğrenciler için PLC kullanımını öğreten endüstriyel sıcaklık denetimi deney düzeneği tanıtılmakta ve öğrencilere katkıları açıklanmaktadır. PLC ile sıcaklık kontrolü endüstride yaygın olarak kullanılan uygulamalardan bir tanesidir. Bu sebepten dolayı bu çalışmada öğrencilere PLC ile sıcaklık kontrolünün nasıl yapıldığının öğretilmesi amaçlanmaktadır.

Gerçeklenen bu deney düzeneğinde su tankındaki rezistansın sıcaklığı s7 1200 PLC ile kontrol edilmektedir.

Referans ve sistemin çıkış sıcaklığının kontrolü ve gözlemlenmesi insan-makine arayüzü üzerinden yapılmaktadır. Suyun sıcaklığı PT100 sıcaklık sensörü ile sürekli ölçülüp PLC ye aktarılır. PLC deki PID algoritması sayesinde su sıcaklığı referans değerinde tutulmaya çalışılır. İnsan-makine arayüzü ile suyun sıcaklığının referans değerine gelişi de gözlemlenebilmektedir. Bu çalışmada kullanılan cihazların tümü günümüzde endüstriyel otomasyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yapılan bu deney düzeneği ile elektrik-elektronik, kontrol, mekatronik ve makine mühendisliği bölümü öğrencileri iş hayatlarına başlamadan önce mesleki tecrübe ve bilgi birikimi kazanmaktadırlar.

Anahtar sözcükler: PLC, sıcaklık kontrolü, endüstriyel otomasyon, PID, kontrol mühendisliği GİRİŞ

Günümüzde PLC ile sıcaklık kontrolü birçok endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Demir-çelik gibi metallerin eritilip şekillendirilmesinde, gıda sektöründe besinlerin pişirilip dondurulmasında, tavuk çiftliklerindeki kuluçka makinalarında (Velagic, Osmic, Lutvica, & Kadic, 2010) yerlerini örnek olarak gösterebiliriz.

Günümüzde sıcaklık kontrol sistemlerini tasarlamaya ve geliştirmeye yönelik birçok çalışma bulunmaktadır.

Yusuf çalışmasında sıcaklık kontrolü gerekebilecek tüm sistemlerde uygulanabilecek bir otomatik kontrol sistemi tasarlamış ve simüle etmiştir. Method olarak Ziegler and Nichols PID (Proportional Integral Derivative) ayarlama metodu (Shahrokhi & Zomorrodi, 2013), PLC olarak OMRON CJIM-CPU22 ve Citect SCADA’ nın Schneider Electric v 7.3 adlı yazılımını kullanmıştır (Al Yusuf, 2018). Rata çalışmasında belli miktardaki bir sıvıyı ısıtmak için kullanılacak olan rezistansı kontrol etmek için çözümler sunmuş ve bu çözümlerin avantaj ve dezavantajlarını belirlemiştir. PLC olarak XC-CPU101 PLC, HMI olarak EATON’dan XV102 HMI ve sıcaklık sensörü olarak ta LM35 kullanmıştır (Rata & Rata, 2016). Weibin ve Qingjian çalışmalarında sıvı sıcaklığını kontrol etmek için PID kontrolü ile Bulanık kontrolü beraber kullanmışlardır. Kontrol sürecinin belli bir adımına kadar bulanık kontrol kullanılmış, sonrasında sıcaklık değeri istenen değere yaklaştığında PID kontrole geçilmiştir. Çalışmalarını MATLAB üzerinden simüle etmişlerdir (Weibin & Qingjian, 2010). Gulpanich ve arkadaşların çalışmalarında bir büyük bir de küçük endüstriyel fırının sıcaklık kontrolü deneysel olarak sağlamışlardır. İlk önce iki fırında aynı ayarlama metoduyla kontrol edilmiş (The Cohen-Coon PID ayarlama metodu) (Shahrokhi & Zomorrodi, 2013). Sonrasında her iki fırın içinde özelleştirilmiş kontrol yaklaşımları geliştirerek fırınların istenilen sıcaklıklara daha kısa sürede ulaşmalarını sağlamışlardır. Çalışmalarında PLC olarak Siemens S7-300’den FB58 “TCONT_CP” adlı bloğu ve sıcaklık sensörü olarak PT100 kullanmışlardır (Gulpanich, Krongratana, Srimuang, Tipsuwanporn, & Wongvanich, 2017). Velagic ve arkadaşları

çalışmalarında bir kuluçka makinesi sisteminin hem simülasyonu hem de deneysel düzeneğini kurup alınan sonuçları karşılaştırmışlardır. Çalışmalarında Schneider’in Modicon M340 adlı modüler PLC’sini, NTC sıcaklık sensörünü ve Magelis XBT GT4330 adlı HMI’yı kullanmışlardır (Velagic et al., 2010). Yang ve Bian

çalışmalarında bulanık kontrol ile PID kontrolünün beraber kullanılmasının sadece PID kontrolünün kullanılmasından daha verimli olduğunu deneysel olarak kanıtlanmaya çalışılmışlardır. Çalışmalarında PLC olarak Delta PLC (DVP-28SV), sıcaklık sensörü olarak DTC1000 kullanmışlardır (Yang & Bian, 2012).

Bunların dışında bizim çalışmamızdaki gibi PLC eğitimi ihtiyacını karşılamaya yönelik çalışmalarda bulunmaktadır. Alves ve arkadaşları kurdukları PLC deney düzeneği sayesinde sıvı sıcaklığını kontrol edebilmektedirler (Alves, Brandão, & Oliveira, 2019).

Bu araştırma kapsamında ise, lisans ve yüksek lisans endüstriyel kontrol laboratuvarında kullanılmak üzere PLC ile sıcaklık denetimi deney düzeneği tasarımı ve gerçeklemesi yapılmıştır. PLC ve sıcaklık denetiminin endüstri sektöründeki yaygın kullanımı ve bu bağlamda PLC kullanımını iyi bilen donanımlı mühendis ihtiyacı,

öğrencilerin mezun olduktan sonra daha rahat iş bulabilmesi için bu deney düzeneğine duyulan ihtiyacın önemini ortaya koymuştur.

(2)

Bu çalışmada, Siemens S7-1200 PLC, 30cm x 30cm x 50cm boyutlarında su tankı, 200 W’lık ısıtıcı, endüstriyel PT100 sıcaklık sensörü, ktp700 insan-makine arayüzü ve PID algoritması kullanılmıştır.

YÖNTEM

Bu çalışmada tasarlanan ve gerçeklenen deney düzeneğinin öbek çizgesi Şekil 1’de ve deney düzeneği Şekil 2’de verilmiştir. Deney düzeneğinde kullanılan devre elamanları: a) Siemens s7 1200 PLC ve Tia portal v15, b) KTP 700 HMI arayüzü, c) Su tankı ve rezistans, d) Katı hal rölesi, e) PT100 sıcaklık sensörü, f) PT100 dönüştürücüdür.

Şekil 1. PLC Sıcaklık Kontrolü Blok Şeması

Şekil 2. Deney Düzeneğini Oluşturan Cihazlar

S7 1200 PLC ve TIA Portal v15

Bu çalışmada S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC PLC kullanılmıştır. 120/230V AC voltaj ile çalışır. Bu modelden 24 V besleme alınabilir. Ancak besleme akımı 1.5 A ile sınırlıdır. Analog giriş sayısı 2’dir. Analog çıkışı bir tanedir. Dijital giriş sayısı 14’tür. Bunlardan 6’sı yüksek hızlı sayıcıdır. Dijital çıkış sayısı 10’dur.

Bunlardan 4’ü yüksek hızlı sayıcıdır. Ethernet haberleşme protokolünü kullanılmaktadır. Bu çalışmada bir adet analog giriş, bir adet hızlı sayıcı çıkışı ve PLC yazılım programı olarak TIA Portal V15 kullanılmıştır.

KTP 700 HMI

Dokunmatik panel veya operatör paneli gibi adlandırmalar ile kullanılan insan-makine arayüzleri Endüstriyel Otomasyon sektöründe yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

a

e

d b

f

c

Referans değeri(SP)

Çıkış değeri (PV)

0-10 V

Bozucular Kontrol Çıkışı

0-24 V

Su Tankı ve Rezistans Katı Hal

Rölesi(SSR)

PT100 Dönüştürücü

PT100 S7 1200 PLC

(3)

Bu çalışmada KTP 700 insan-makine arayüzü kullanılmıştır. Besleme gerilimi 24 V DC’dir.

İnsan-makine arayüzü üzerinde referans sıcaklık değerini girmek için butonlar ve çıkış sıcaklık değerlerini okumak için metin editörü kullanılmıştır(Şekil 3).

Şekil 3. İnsan-Makine Arayüzü

Su Tankı Ve Rezistans

Bu çalışmada 30cm x 30cm x 50cm ölçülerinde su tankı, 200 W gücünde rezistans kullanılmıştır(Şekil 4). Su tankının üzerindeki açıklıktan su eklenerek dış bozucu verilmektedir. Suyun sıcaklığı 0-100 º C arasında ısıtılabilmektedir.

Şekil 4. Su Tankı Ve Rezistans Katı Hal Rölesi (SSR)

Katı hal rölesi mikro elektronik ve güç elektroniği devre elemanlarından oluşan mekanik olarak temassız bir elektronik anahtardır. Katı hal rölesinin girişi, büyük bir akım yükünü sürmek için küçük bir kontrol sinyali

(4)

kullanır. Deney düzeneğinde kullanılan katı hal rölesinin akımı 50 A’dir. Katı hal rölesinin bağlantı şeması Şekil 5’de gösterilmiştir.

Şekil 5. SSP1A150BDT Katı Hal Rolesi-SSR(Solid State Relay)

PT100

PT100'lere Rezistans termometre adı da verilir(Şekil 6). Endüstride ve laboratuvarlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle hassas değer alınmak istenilen yüksek sıcaklıklarda, PT100 tercih edilirler. PT100 iletken bir telin direnç değerinin sıcaklıkla değişmesinden istifade edilerek oluşturulan bir sıcaklık algılayıcısıdır. 0 ºC devreye 100ohm’luk direnç uygular. Sıcaklık artışına göre değişen direnç değeriyle bulunduğu ortamdaki sıcaklık ölçülür 11.

Şekil 6. PT100 Sıcaklık Sensörü

PT100 Dönüştürücü

Kullanılan PLC de RTD modülü olmadığı için Klemsan Ascon 321 adlı PT100 dönüştürücü kullanılmıştır. Bu dönüştürücünün bağlantı şeması Şekil 7’de verilmiştir. Bu dönüştürücü ile PT100’ün sıcaklıkla değişen direnç

Rezistans

Toprak %Q0.0

SSR

(5)

değeri 0-10 V arası değere dönüştürülmüştür. Bu gerilim değeri giriş olarak PLC’ye verilmiştir.

Şekil 7. Klemsan ASCON 321 PT100 Dönüştürücü

PLC Programı

Ana Blok Programı

Şekil 8’deki network 1 de PT100 dönüştürücüsünden gelen 0-10 V arası gerilim 0-27648 arasında karşılık gelen değere dönüştürülür. Sonrasında bu değer 0-100 ºC aralığındaki tamsayı değerine çevrilir.

Şekil 8. Ana Blok Network 1

Şekil 9’da network 2 ile HMI ara yüzündeki referans sıcaklık değeri değiştirilir.

V GND

DC+ DC- P1+

P1- P2-

Toprak PLC

analog giriş

Toprak

24V

PT100 kırmızı

PT100 kırmızı

PT100 beyaz

(6)

Şekil 9. Ana Blok Network 2

Şekil 10 daki network 3’te ise referans tamsayı değeri gerçel sayı değerine dönüştürülür.

Şekil 10. Ana Blok Network 3

PID Blok Programı

Şekil 11’deki network 1’de referans değerinin reel değeri ile PT100’den gelen 0-100 arası reel değer PID bloğundan geçerek SSR’a gidecek çıkışa dönüşür.

Şekil 11. PID Blok Network 1

PLC programında kullanılan etiket ve adresler Tablo 1’de verilmiştir.

Tablo 1. Blok Diyagramı Etiket Ve Adresleri

(7)

Etiketler PLC Adres Açıklamaları

Tag_1 %IW64 PT100’den çıkan 0-10 V arası değerin 0-27648 arasında karşılık gelen değeri

Tag_2 %MD10 0-27648 arasındaki değerin %’lik karşılığı

Tag_3 %MD20 % değerinin reel karşılığı

Tag_4 %MW10 Reel değerin integer karşılığı

Tag_5 %Q0.0 SSR’ye giden PLC çıkışı

Tag_6 %M4.2 Referans değeri azaltma butonu bırakma

Tag_7 %M3.0 Referans değeri arttırma butonu basma

Tag_8 %M4.0 Referans değeri azaltma butonu basma

Tag_9 %M3.1 Referans değeri arttırma butonu bırakma

Tag_10 %MD25 Referans değerinin reel hali

Tag_11 %MW8 Referans değerinin integer hali

BULGULAR

Sıvı sıcaklık kontrolü deneyinde referans değeri 42 ºC ayarlanmıştır. Şekil 12’de görüldüğü üzere su tankının içindeki suyun sıcaklığı 38 ºC’ken referans değerinin 42 ºC ayarlanmasıyla yaklaşık 130 saniyede 42 ºC ulaşmıştır. 280. saniyede su tankına bozucu olarak soğuk su ilave edilmiş ve suyun sıcaklığı tekrar 33 ºC’ye düşürülmüştür. Sonrasın 325. Saniyede su sıcaklığı tekrar 42 ºC’ye ulaşmıştır.

Deney düzeneğinde PID kodunda kullanılan katsayılar deneme yanılma Kp: 0.05, Ki: 0.06, Kd: 0.0 şeklinde bulunarak ayarlanmıştır.

Şekil 12. Çıkış-Referans Ve Kontrol İşareti Tablosu

(8)

SONUÇ

Bu çalışma, öğrencilere PLC kullanma ve program tasarlama becerilerini kazandırmayı amaçlamaktadır. Deney düzeneğindeki cihazların endüstri sektöründe yaygın olarak kullanılması öğrencilere eğitim ortamlarında öğrendiklerini iş hayatlarında uygulamalarına olanak sağlayacaktır.

Bu çalışma sonucunda elektrik-elektronik, kontrol, mekatronik ve makine mühendisliği bölümü öğrencileri suyun sıcaklık denetimini, PT100 kullanımını, katı hal röle kullanımı, rezistans sürmeyi, PLC programlamayı, PLC ile analog veri girişi, PLC ile birlikte transmitter kullanmayı, PLC ile PID modülü kullanmayı kendileri uygulayarak öğrenmişlerdir.

Bu çalışma PT100 yerine başka sıcaklık sensörleri kullanarak ve PID yerine farklı kontrol algoritmalarıyla tekrarlanabilir. Ayrıca PLC merdiven diyagramı yerine fonksiyon blok diyagramı, komut listesi gibi programlama biçimleri kullanılarak programlanabilir.

ÖNERİLER

Giriş kısmında değindiğimiz Rata çalışmasında lm35 kullanmıştır, Yang ve Bian çalışmalarında DTC1000 sıcaklık sensörü kullanmıştır. Bu çalışmada ise PT100 sıcaklık sensörü kullanılmıştır. Çünkü PT100 endüstri sektöründe en çok tercih edilen sıcaklık sensörü tipidir.

Yine giriş kısmında değindiğimiz diğer çalışmaların bir kısmında PID kontrolü kullanılırken diğer kısmında ise PID kontrolü ile birlikte bulanık mantık da kullanılmıştır. Bu çalışmada sadece PID kontrol yöntemi tercih edilmiştir. Çünkü kullanımı kolay, basit ve deneyde iyi sonuçlar vermektedir.

TEŞEKKÜR

Bu çalışma Ondokuz Mayıs Üniversitesi tarafından Bilimsel Araştırma Projesi kapsamında desteklenmektedir (PYO.MUH.1906.17.002). Çalışmalarda destek olan lisans öğrencisi Mustafa Özçelik’e teşekkür ederiz.

KAYNAKLAR

Al Yusuf, S. (2018). Development of PLC and SCADA based Integrated Thermal Control System with Self/Auto-tuning Feature. Paper presented at the 2018 Condition Monitoring and Diagnosis (CMD).

Alves, L. F., Brandão, D., & Oliveira, M. A. (2019). A multi-process pilot plant as a didactical tool for the teaching of industrial processes control in electrical engineering course. The International Journal of Electrical Engineering & Education, 56(1), 62-91.

Gulpanich, S., Krongratana, V., Srimuang, A., Tipsuwanporn, V., & Wongvanich, N. (2017). PLC-based industrial temperature controller with different response times. Paper presented at the 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS).

<pt100_datasheet.pdf>.

Rata, G., & Rata, M. (2016). Temperature control solution with PLC. Paper presented at the 2016 International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering (EPE).

Shahrokhi, M., & Zomorrodi, A. (2013). Comparison of PID controller tuning methods. Department of Chemical & Petroleum Engineering Sharif University of Technology, 1-2.

Velagic, J., Osmic, N., Lutvica, K., & Kadic, N. (2010). Incubator system identification and temperature control with PLC & HMI. Paper presented at the Proceedings ELMAR-2010.

Weibin, C., & Qingjian, M. (2010). Based on PLC temperature PID-Fuzzy control system design and simulation. Paper presented at the 2010 International Conference on Information, Networking and Automation (ICINA).

(9)

Yang, Y., & Bian, H. (2012). Design and Realization of Fuzzy Self-tuning PID Water Temperature Controller Based on PLC. Paper presented at the 2012 4th International Conference on Intelligent Human- Machine Systems and Cybernetics.

Referanslar

Benzer Belgeler

Radyal Pompa Deney Setinin Elemanları: Üçgen (V) savak düzeneği, yay sıkma vidası, yay kuvvetini dengeleme vidası, fren kumpası, fren diski, türbin çıkış borusu,

Giriş ve çıkış işaretlerini, A noktasındaki işareti (DC bileşeni ile beraber) çift kanallı osiloskopla ölçünüz ve bu işaretleri aşağıdaki grafik

GMT’nin, yüzde yüz yerli olarak üretimini yaptığı PLC’ler dünya çapındaki firmalarla rekabet edecek teknik özelliklere sahiptir.. Kullanım kolaylığı ve

Deneyleri bu şekilde gerçekleştiren öğrenciler, hem derste öğrendikleri analiz metodlarını gerçek devreler üzerinde tekrar etmiş olacaklar, hem de SPICE gibi popüler

Deney sırasında bir an için aşağıdaki dalganın 25KHz’lik aradığımız dalga olduğunu sanmamıza rağmen sonucu yanlış bulmuştuk.. Çünkü burada bulduğumuz kare

Fakat binary sayı sisteminde yalnızca 2 rakam olduğu için büyük sayıları ifade etmek oldukça fazla rakamla mümkün olur.. Örneğin desimal sayı olan 202 sayısını 3

Kontrol Devresi Tasarım ve Uygulaması Bu çalışmada bir su deposundan algılayıcılar vasıtasıyla alınan seviye, sıcaklık ve basınç verilerinin PLC kullanılarak

Bunun için yapacağımız dişli çarkın dişli taslağını; kullanacağımız modül ve dişli çarkın diş sayısına göre hesaplamaları yaparak torna tezgâhlarında hazırladıktan